WO2013021584A1 - 水中摺動部材、及び水中摺動部材の製造方法、並びに水力機械 - Google Patents

水中摺動部材、及び水中摺動部材の製造方法、並びに水力機械 Download PDF

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sliding
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タン トロン ロン、
証 小熊
康巳 木崎
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株式会社 東芝
東芝プラントシステム株式会社
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    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to an underwater sliding member, a method for manufacturing an underwater sliding member, and a hydraulic machine.
  • sliding members of hydroelectric generators are lubricated with oil, but application of water-lubricated bearings is required due to environmental problems of river pollution caused by oil spills.
  • the sliding member of the water-lubricated bearing includes a base material made of a metal material, an intermediate layer having a porous structure joined to the base material and made of a metal material, and a slide made of a resin material formed on the intermediate layer. Having a dynamic layer.
  • the intermediate layer of the sliding member is formed of a plurality of spherical members made of a metal material on the main surface of the base material so as to be bonded to the main surface, thereby forming a porous structure.
  • the shape of the pores of the porous structure constituted by a plurality of spherical members is anisotropic.
  • the problem to be solved by the present invention is an underwater sliding member capable of suppressing deterioration of mechanical properties over time even when used in an underwater environment for a long time, and an underwater sliding member manufacturing method, As well as providing a hydraulic machine.
  • An underwater sliding member is an underwater sliding member used in water, and includes a base material made of a first metal material and a porous structure joined to the base material and made of a second metal material.
  • FIG. 1 is an external view showing a schematic configuration of an underwater sliding member in the present embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the underwater sliding member in the present embodiment.
  • an underwater sliding member (hereinafter sometimes abbreviated as “sliding member”) 10 of the present embodiment includes a base material 11 made of a first metal material, and the base material. 11, a porous intermediate layer 12 made of a second metal material, a corrosion prevention layer 122 (corrosion current blocking layer) formed on at least the intermediate layer 12 and having electrical insulation, and at least corrosion.
  • the sliding layer 13 is formed on the prevention layer 122 and is made of a resin material containing a conductive filler, and the pores of the porous structure of the intermediate layer are filled with a part of the resin material. Yes.
  • the resin material of the sliding layer 13 contains a conductive filler such as carbon fiber from the viewpoint of improving mechanical properties.
  • a member denoted by reference numeral 15 indicates a sliding surface of a shaft on which the sliding member 10 slides, whereby the sliding member 10 in the present embodiment functions as a bearing.
  • the intermediate layer 12 is formed such that a plurality of spherical members 121 made of the second metal material are bonded to the main surface 11A on the main surface 11A of the base material 11.
  • the intermediate layer 12 forms a porous structure by arranging a plurality of spherical members 121 along the main surface 11 ⁇ / b> A of the substrate 11 via the first holes 121 ⁇ / b> A.
  • bonding with respect to 11 A of main surfaces of the base material 11 of the spherical member 121 can be performed by the method (brazing joining method) using the brazing material demonstrated below, or a solid phase diffusion joining method, for example.
  • Part or all of the spherical member 121 may be a fibrous member.
  • the shape of the first pore 121A is anisotropic.
  • the resin material of the sliding layer 13 is filled into the first hole 121A, it is difficult to fill the first hole 121A to every corner, and the resin material is filled in the first hole 121A. A portion that is not filled may remain as a gap.
  • the corrosion prevention layer 122 covers the main surface 11A of the substrate 11 and the surfaces of the plurality of spherical members 121.
  • the corrosion prevention layer 122 is a material having a melting point lower than that of the resin material of the sliding layer 13
  • the corrosion preventing layer 122 enters a portion (gap) of the sliding layer 13 that is not filled with the resin material in the first hole 121 ⁇ / b> A. Fill.
  • the sliding layer 13 is formed on the corrosion prevention layer 122. A part of the sliding layer 13 enters the second hole 122A formed after the first hole 121A of the intermediate layer 12 is covered with the corrosion prevention layer 122, and enters the second hole 122A. Filled.
  • a corrosion prevention layer 122 is formed so as to cover the main surface 11A of the substrate 11 and the surfaces of the plurality of spherical members 121. For this reason, even if the resin material of the sliding layer 13 includes a conductive filler such as carbon fiber, the corrosion current flowing from the shaft 15 through the sliding member 10 to the bearing base material in an underwater environment is cut off. And corrosion of the shaft can be prevented.
  • the corrosion prevention layer 122 is formed so as to cover the main surface 11 ⁇ / b> A of the substrate 11 and the surfaces of the plurality of spherical members 121. For this reason, it can suppress that a gap
  • the corrosion of the shaft is prevented by blocking the corrosion current flowing from the shaft 15 through the sliding member 10 to the bearing base material. And can exhibit high mechanical properties over a long period of time.
  • the substrate 11 is made of stainless steel made of iron and chromium, stainless steel made of iron, chromium, and nickel, and iron, chromium, nickel, molybdenum, manganese, silicon, niobium, and titanium, which are excellent in corrosion resistance and mechanical properties. Can be constructed from stainless steel.
  • the spherical member 121 constituting the intermediate layer 12 is also excellent in corrosion resistance and mechanical properties, stainless steel made of iron and chromium, stainless steel made of iron, chromium, and nickel, and iron, chromium, It can be composed of stainless steel made of nickel, molybdenum, manganese, silicon, niobium and titanium.
  • the corrosion prevention layer 122 may be made of any material as long as it has electrical insulation. However, due to the manufacturing method described below, corrosion from fluororesins having a low melting point, particularly perfluoroethylene resin (melting point 300 to 310 ° C), tetrafluoroethylene / hexafluoroethylene copolymer (melting point 260 ° C).
  • the prevention layer 122 is preferably configured. These resins and copolymers can contain resin-based, ceramic-based, and metal-based fillers such as whiskers, fibers, and particulate fillers as necessary.
  • the sliding layer 13 can be made of a predetermined resin material.
  • tetrafluoroethylene resin (melting point 327 ° C.), perfluoroethylene resin (melting point 300 to 310 ° C.), hexafluoropropylene resin (melting point 260 ° C.), polyether ether ketone resin (melting point 334 ° C.), polyphenylene sulfide resin ( A melting point of 280 ° C.) can be used.
  • Fluorine-based resins such as tetrafluoroethylene resin have a low friction coefficient but slightly low mechanical properties.
  • resins such as polyetheretherketone resin have a high friction coefficient but also have high mechanical properties. Therefore, it is necessary to select an optimum material in consideration of the characteristics required for the sliding layer 13, that is, the sliding member 10.
  • the sliding member 10 when used as a bearing member, the mechanical properties of the sliding member 10 are secured to some extent by the base material 11. For this reason, it is preferable that the sliding layer 13 mainly has a low friction coefficient and is excellent in sliding characteristics. Therefore, among the materials described above, a fluorine-based resin, particularly a tetrafluoroethylene resin is preferable. These resin materials contain fillers such as whiskers, fibers, and particles from the viewpoint of improving mechanical properties.
  • the filler to be contained in the resin material is a filler composed of fibers and particles containing at least one of carbon and graphite, and additionally, at least one kind of whisker, fiber and particles of potassium titanate, aluminum borate and zinc oxide. Containing fillers. These fillers can have high wear resistance without causing wear or damage to the mating member, particularly when the sliding mating member is made of stainless steel or the like.
  • 3 to 6 are process diagrams showing an example of a method for manufacturing the sliding member 10. 3 to 6 show the state of each step in the manufacturing process of the sliding member 10 in relation to the sectional view of the sliding member 10 shown in FIG.
  • a mold 17 is prepared, the base material 11 is arranged in the mold 17, and a brazing material (not shown) is applied on the main surface 11 ⁇ / b> A of the base material 11.
  • a plurality of spherical members 121 are arranged at a predetermined pitch on the main surface 11A of the base material 11, and the base material 11, the spherical members 121, and the brazing material are heated in a reduced pressure atmosphere to melt the brazing material. .
  • the plurality of spherical members 121 are joined to the main surface 11A of the base material 11 via a brazing material (brazing joining method). In this way, the intermediate layer 12 having a porous structure is formed.
  • the porous intermediate layer 12 may be formed by directly bonding a plurality of spherical members 121 to the main surface 11A of the substrate 11 by solid phase diffusion bonding. it can.
  • a raw material powder such as a fluororesin is dissolved or dispersed in advance in an organic solvent to prepare a solution or dispersion.
  • a solution or dispersion liquid After impregnating the base material 11 which couple
  • the raw material powder is adhered onto the main surface 11 ⁇ / b> A of the substrate 11 and the plurality of spherical members 121.
  • the corrosion prevention layer 122 is formed by heating and melting the raw material powder.
  • the heat melting treatment of the raw material powder can be performed simultaneously in the firing step when the sliding layer 13 described below is formed. In this case, it is not necessary to separately provide a process for forming the corrosion prevention layer 122, so that the manufacturing process of the sliding member 10 can be simplified.
  • raw material powder 13 ⁇ / b> X such as tetrafluoroethylene resin, which is the raw material powder of the sliding layer 13, is dispersedly disposed on the corrosion prevention layer 122 including a plurality of spherical members 121.
  • the nonwoven fabric 16 and the pressure transmission medium 18 are arrange
  • the nonwoven fabric 16 and the pressure transmission medium 18 are for improving the releasability of the upper punch when the upper punch is used for compression molding later.
  • the pressure transmission medium 18 is preferably made of a fluorine resin having a low friction coefficient, particularly a powder of tetrafluoroethylene resin.
  • the raw material powder 13X is compression-molded using the upper punch 19 through the nonwoven fabric 16 and the pressure transmission medium 18, and heated at a predetermined temperature to fire the raw material powder 13X.
  • the dynamic layer 13 is formed.
  • the raw material powder of the corrosion prevention layer 122 can be heat-melted to form the corrosion prevention layer 122.
  • the heating temperature is set to a temperature of 400 ° C. or lower when the raw material powder 13X is made of a low melting point fluororesin such as tetrafluoroethylene resin.
  • the raw material powder for the corrosion prevention layer 122 may be perfluoroethylene resin or the like as described above, and may be heated at a temperature of 400 ° C. or lower as described above. By doing in this way, it can heat-melt simultaneously with baking of the raw material powder 13X, and the target corrosion prevention layer 122 can be formed.
  • the raw material powder 13X is sufficiently filled in the second pores 122A of the porous structure of the intermediate layer 12.
  • the corrosion prevention layer 122 is previously provided at a location where the gap of the first hole 121A is generated by the corrosion prevention layer 122 as described above. Is formed and the gap is buried. For this reason, the production
  • the intermediate layer 12 is formed on the base material 11 in the mold 17, but this is not restrictive. After the intermediate layer 12 is previously formed on the base material 11 outside the mold 17, the assembly including the base material 11 and the intermediate layer 12 is formed in the mold 17 at the stage of forming the sliding layer 13 described in FIG. 4. It can also be placed inside.
  • sliding member 10 (bearing member) of this embodiment can be used suitably as a sliding member (bearing member) in hydraulic machines, such as a water wheel, a water turbine generator, and a pump, for example.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the underwater sliding member in the present embodiment.
  • the external view of the underwater sliding member of this embodiment is the same as that of the form shown in FIG. 1 in 1st Embodiment.
  • the underwater sliding member 20 (hereinafter sometimes abbreviated as “sliding member”) 20 of the present embodiment has an intermediate layer 22 having an intermediate structure in the first embodiment shown in FIG. 2. Unlike the configuration of the layer 12, the other configurations are the same. Therefore, the structure of the intermediate layer 22 will be mainly described.
  • the same reference numerals are used for the same or similar components as those shown in FIGS.
  • the sliding member 20 of the present embodiment includes a base material 11 made of a first metal material, and an intermediate layer having a porous structure joined to the base material 11 and made of a second metal material. 22 and at least the corrosion prevention layer 122 formed on the intermediate layer 22 and having electrical insulation, and at least formed on the corrosion prevention layer 122 and made of a resin material containing a conductive filler. It has a sliding layer 13 filled with a part of the resin material in the pores of the porous structure. This resin material contains a conductive filler such as carbon fiber from the viewpoint of improving mechanical properties.
  • the sliding member 20 in this embodiment can be made to function as a bearing similarly to the sliding member 10 in 1st Embodiment.
  • the intermediate layer 22 is made of a second metal material and forms a porous structure.
  • the intermediate layer 22 includes a plurality of wedge-shaped members 221 having a T-shaped cross section along the thickness direction, for example, formed on the main surface 11A of the base material 11, and the plurality of wedges.
  • the mold member 221 is combined with the main surface 11A to form a porous structure.
  • the intermediate layer 22 is formed, for example, by laminating so that at least a part of the punch holes of the punching plate communicate with each other.
  • the corrosion prevention layer 122 is formed so as to cover the main surface 11 ⁇ / b> A of the substrate 11 and the surfaces of the plurality of wedge-shaped members 121.
  • a corrosion prevention layer 122 is formed so as to cover the main surface 11A of the substrate 11 and the surfaces of the plurality of wedge-shaped members 221. For this reason, even if the resin material of the sliding layer 13 includes a conductive filler such as carbon fiber, the corrosion current flowing from the shaft 15 through the sliding member 10 to the bearing base material in an underwater environment is cut off. And corrosion of the shaft can be prevented.
  • the corrosion prevention layer 222 is formed so as to cover the main surface 11 ⁇ / b> A of the base material 11 and the surfaces of the plurality of wedge-shaped members 221. For this reason, it is possible to suppress the first gap as described above, thereby suppressing the crevice corrosion, and even when the sliding member 20 (bearing member) is used in water for a long time, the mechanical characteristics are changed over time. It is possible to suppress the deterioration.
  • the corrosion of the shaft is prevented by blocking the corrosion current flowing from the shaft 15 through the sliding member 20 to the bearing base material. And can exhibit high mechanical properties over a long period of time.
  • the manufacturing method of the sliding member 20 according to the present embodiment is basically the same except that the porous structure of the intermediate layer 22 is composed of a plurality of wedge members 221 instead of the plurality of spherical members 121. Is the same as the case shown in FIGS.
  • the plurality of wedge-shaped members 221 can be formed by preparing a plurality of wedge-shaped members 221 having a T-shaped cross-section in advance and using them instead of the plurality of spherical members 121.
  • a plurality of wedge-shaped members 221 can be formed by laminating two plate-like members formed with a plurality of punch holes having different sizes so that the punch holes overlap.
  • FIGS. 8 and 9 are process diagrams showing an example in which a plurality of wedge-shaped members 221 are formed using two plate-like members in which punch holes are formed.
  • a lower plate-like member 221-2X in which punch holes 221-2A are formed is joined and arranged by brazing or the like.
  • the upper plate member 221-2X in which the punch hole 221-1A is formed is brazed so that the punch hole 221-1A and the punch hole 221-2A coincide with each other.
  • the lower plate-like member 221-1X is connected and arranged. As a result, a wedge-shaped member 221 as shown in FIG. 7 can be formed.
  • the sliding member 20 (bearing member) of the present embodiment can be suitably used as a sliding member (bearing member) in a hydraulic machine such as a water wheel, a water turbine generator, or a pump.
  • the members constituting the porous structure of the intermediate layers 12 and 22 are spherical and wedge-shaped, but the porous structure of the intermediate layers 12 and 22 is a sliding layer.
  • the shape of the member is not particularly limited as long as the requirement of exhibiting an anchor effect for 13 is satisfied.
  • the pores of the porous structure of the intermediate layers 12 and 22 do not have to penetrate.
  • Example 1 First, an Ag-56 mass% Cu brazing material was applied to the main surface 11A of the base material 11 made of SUS316 stainless steel having a cylindrical shape. Then, a plurality of steel balls 121 made of SUS316 stainless steel having a diameter of 3 mm were sprayed thereon. Thereafter, heat treatment was performed in a vacuum of 1050 ° C. and 10 ⁇ 3 Torr, and a plurality of steel balls 121 were bonded to the main surface 11 A of the base material 11. Thus, the intermediate layer 12 having a porous structure was formed.
  • a dispersion liquid in which a resin powder of tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (raw material of the corrosion prevention layer 122) is dispersed in a solvent on the main surface 11A of the substrate 11 and the surfaces of the plurality of steel balls 121 is prepared.
  • the process of applying and drying was repeated until the final thickness was 0.5 mm.
  • the resin powder was adhered to the main surface 11A of the substrate 11 and the surfaces of the plurality of steel balls 121.
  • an assembly including the intermediate layer 12 including the base material 11 and the plurality of steel balls 121 and including the corrosion prevention layer 122 was disposed in the mold 17.
  • the raw material powder of the tetrafluoroethylene resin containing 30 mass% carbon fiber was filled on this assembly.
  • the carbon fiber a short fiber having a diameter of 7 to 10 ⁇ m and a length of 3 mm was used.
  • a non-woven fabric 16 having a thickness of 0.3 mm and a pressure transmission medium (powder) 18 made of PTFE were placed on the raw material powder, and compression-molded in one direction at a pressure of 50 MPa by a molding punch 19 having a planar shape.
  • the molded body of the raw material powder was heated at 370 ° C. for 2 hours.
  • the molded body is heated and melted to form the sliding layer 13, and the resin powder adhered to the main surface 11A of the base material 11 and the surfaces of the plurality of steel balls 121 is heated and melted to prevent corrosion on the surface.
  • Layer 122 was formed.
  • Underwater sliding member (bearing member) DESCRIPTION OF SYMBOLS 11
  • Base material 11A Main surface of base material 12, 22
  • Intermediate layer 121 Spherical member 121A, 221A First hole 122 Corrosion prevention layer 122A, 222A Second hole 13
  • Sliding layer 15
  • Shaft 20

Landscapes

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Abstract

　水中環境において長時間使用した場合においても、機械特性が経時的に劣化するのを抑制する。実施形態の水中摺動部材は、水中で使用される水中摺動部材であって、第１の金属材料からなる基材１１と、前記基材１１に接合され、第２の金属材料からなる多孔質構造の中間層１２と、前記中間層１２の多孔質構造の空孔内に一部が溶融して充填された腐食防止層１２２と、前記腐食防止層１２２上に形成され、樹脂材料からなる遮断摺動層１３を備える。

Description

水中摺動部材、及び水中摺動部材の製造方法、並びに水力機械
　本発明の実施形態は、水中摺動部材、及び水中摺動部材の製造方法、並びに水力機械に関する。
　一般に、水力発電機の摺動部材は油で潤滑されているが、油の流出による河川汚染の環境問題から水潤滑軸受の適用が要求されている。
　水潤滑軸受の摺動部材は、金属材料からなる基材と、この基材上に接合され、金属材料からなる多孔質構造の中間層と、この中間層上に形成された樹脂材料からなる摺動層とを有することが開示されている。
特開平１０－２９２５６号公報
　摺動部材の中間層は、金属材料からなる複数の球状部材が、基材の主面上に、この主面と結合するようにして形成され、多孔質構造を構成している。複数の球状部材によって構成される多孔質構造の空孔の形状は、異方である。
　摺動層の樹脂材料を空孔内に充填させる場合、空孔内の隅々まで充填するのは困難であり、空孔内に樹脂材料が充填されない部分がすき間として残留する場合がある。
　水中環境においては、中間層の多孔質構造の空孔内に樹脂材料が充填されない部分（すき間）があると、すき間に水が入り込むようになって、すき間を起点として腐食が生じるようになる（すき間腐食）。すき間腐食により、摺動部材（軸受部材）を水中で長時間使用した場合には機械特性が経時的に劣化する課題がある。
　本発明が解決しようとする課題は、水中環境において長時間使用した場合においても、機械特性が経時的に劣化するのを抑制することができる水中摺動部材、及び水中摺動部材の製造方法、並びに水力機械を提供することである。
　実施形態の水中摺動部材は、水中で使用される水中摺動部材であって、第１の金属材料からなる基材と、前記基材に接合され、第２の金属材料からなる多孔質構造の中間層と、前記中間層の多孔質構造の空孔内に一部が溶融して充填された腐食防止層と、前記腐食防止層上に形成され、樹脂材料からなる摺動層を備える。
第１の実施形態における水中摺動部材の概略構成を示す外観図である。 第１の実施形態における水中摺動部材の概略構成を示す断面図である。 第１の実施形態における水中摺動部材の製造方法における工程図である。 第１の実施形態における水中摺動部材の製造方法における工程図である。 第１の実施形態における水中摺動部材の製造方法における工程図である。 第１の実施形態における水中摺動部材の製造方法における工程図である。 第２の実施形態における水中摺動部材の概略構成を示す断面図である。 第２の実施形態における水中摺動部材の製造方法における工程図である。 第２の実施形態における水中摺動部材の製造方法における工程図である。
（第１の実施形態）
　図１は、本実施形態における水中摺動部材の概略構成を示す外観図であり、図２は、本実施形態における水中摺動部材の概略構成を示す断面図である。
　図１及び図２に示すように、本実施形態の水中摺動部材（以下、「摺動部材」と略す場合がある）１０は、第１の金属材料からなる基材１１と、この基材１１上に接合され、第２の金属材料からなる多孔質構造の中間層１２と、少なくとも中間層１２上に形成され、電気絶縁性を持つ腐食防止層１２２（腐食電流遮断層）と、少なくとも腐食防止層１２２上に形成され、導電性のある充填材を含む樹脂材料からなり、中間層の多孔質構造の空孔内に樹脂材料の一部が充填された摺動層１３とを有している。
　摺動層１３の樹脂材料は、機械特性向上の観点からカーボン繊維等の導電性のある充填材を含有している。なお、図１において、参照符号１５で示す部材は、摺動部材１０が摺動する軸の摺動面を示し、これによって、本実施形態における摺動部材１０は軸受として機能する。
　中間層１２は、第２の金属材料からなる複数の球状部材１２１が、基材１１の主面１１Ａ上において、この主面１１Ａと結合するようにして形成されている。中間層１２は、複数の球状部材１２１が基材１１の主面１１Ａに沿って第１の空孔１２１Ａを介して並ぶことによって、多孔質構造を構成している。なお、複数の球状部材１２１の基材１１の主面１１Ａに対する結合は、例えば以下に説明するろう材を用いる方法（ろう付け接合法）あるいは固相拡散接合法によって行うことができる。球状部材１２１は、一部または全部が繊維状部材であってもよい。
　図１及び図２から明らかなように、複数の球状部材１２１によって構成される多孔質構造において、第１の空孔１２１Ａの形状は、異方である。摺動層１３の樹脂材料を第１の空孔１２１Ａ内に充填させる場合、第１の空孔１２１Ａ内の隅々まで充填するのは困難であり、第１の空孔１２１Ａ内に樹脂材料が充填されない部分がすき間として残留する場合がある。
　腐食防止層１２２は、基材１１の主面１１Ａ及び複数の球状部材１２１の表面を覆っている。腐食防止層１２２は、摺動層１３の樹脂材料よりも融点が低い材料の場合は、第１の空孔１２１Ａ内において摺動層１３の樹脂材料が充填されない部分（すき間）に入り込み、すき間を充填する。
　摺動層１３は、腐食防止層１２２上に形成されている。摺動層１３は、中間層１２の第１の空孔１２１Ａを腐食防止層１２２で被覆した後に形成される第２の空孔１２２Ａ内に、その一部が入り込み、第２の空孔１２２Ａに充填される。
　本実施形態の水中摺動部材は、基材１１の主面１１Ａ及び複数の球状部材１２１の表面を覆うように、腐食防止層１２２が形成されている。このため、摺動層１３の樹脂材料がカーボン繊維等の導電性のある充填材を含む場合であっても、水中環境において軸１５から摺動部材１０を通して軸受基材に流れる腐食電流を遮断することができ、軸の腐食を防止することができる。
　また、多孔質構造である中間層１２が備える第１の空孔１２１Ａ内に摺動層１３の樹脂材料が充填されない部分（すき間）があると、水中環境では、そのすき間に水が入り込む。このため、すき間を起点として腐食が生じるようになる（すき間腐食）。
　しかしながら、本実施形態においては、基材１１の主面１１Ａ及び複数の球状部材１２１の表面を覆うように、腐食防止層１２２が形成されている。このため第１の空孔１２１Ａ内にすき間が発生することを抑制することができ、これによってすき間腐食を抑制できる。その結果、摺動部材１０（軸受部材）を水中で長時間使用した場合においても、機械特性が経時的に劣化するのを抑制することができる。
　このように本実施形態によれば、摺動部材１０を水中で長時間使用した場合においても、軸１５から摺動部材１０を通して軸受基材に流れる腐食電流を遮断することで軸の腐食を防止することができるとともに、長期に亘って高い機械特性を呈することができる。
　基材１１は、耐食性及び機械特性に優れた、鉄及びクロムからなるステンレス鋼、鉄、クロム、及びニッケルからなるステンレス鋼、並びに鉄、クロム、ニッケル、モリブデン、マンガン、シリコン、ニオブ及びチタンからなるステンレス鋼から構成することができる。
　中間層１２を構成する球状部材１２１も、基材１１と同様に、耐食性及び機械特性に優れた、鉄及びクロムからなるステンレス鋼、鉄、クロム、及びニッケルからなるステンレス鋼、並びに鉄、クロム、ニッケル、モリブデン、マンガン、シリコン、ニオブ及びチタンからなるステンレス鋼から構成することができる。
　腐食防止層１２２は、電気的絶縁性を有していれば如何なる材料から構成してもよい。ただし、以下に説明する製造方法に起因して、融点の低いフッ素樹脂、特に、パーフルオロエチレン樹脂（融点３００～３１０℃）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロエチレン共重合体（融点２６０℃）から腐食防止層１２２を構成することが好ましい。なお、これらの樹脂及び共重合体には、必要に応じて樹脂系、セラミックス系、金属系の充填材、例えばウィスカーや繊維、粒子状の充填材を含有させることができる。
　摺動層１３は、所定の樹脂材料から構成することができる。例えば四フッ化エチレン樹脂（融点３２７℃）、パーフルオロエチレン系樹脂（融点３００～３１０℃）、ヘキサフルオロプロピレン樹脂（融点２６０℃）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（融点３３４℃）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（融点２８０℃）などを使用することができる。四フッ化エチレン樹脂などのフッ素系樹脂は、摩擦係数が低いが、機械特性が若干低い。一方、ポリエーテルエーテルケトン樹脂などの樹脂は、摩擦係数が高いが、機械特性も高い。したがって、摺動層１３、すなわち摺動部材１０に対して要求される特性を適宜考慮して、最適な材料を選択する必要がある。
　但し、本実施形態で示すように、摺動部材１０を軸受部材として使用する場合には、、摺動部材１０の機械特性は、基材１１によってある程度担保されている。このため、摺動層１３は、主として摩擦係数が低く、摺動特性に優れることが好ましい。したがって、上述した材料の中でもフッ素系樹脂、特に四フッ化エチレン樹脂が好ましい。なお、これらの樹脂材料は、機械特性向上の観点からウィスカーや繊維、粒子等の充填材を含有させている。
　樹脂材料に含有させる充填材は、炭素及びグラファイトの少なくとも一方を含む繊維及び粒子からなる充填材、さらには、チタン酸カリウム、ホウ酸アルミニウム及び酸化亜鉛の少なくとも一種のウィスカー、繊維及び粒子からなる追加の充填材を含む。これらの充填材は、特に、摺動する相手部材がステンレス鋼等からなる場合において、相手部材を摩耗させたり、損傷させたりすることなく、高い耐摩耗性を有することができる。
　次に、本実施形態の摺動部材１０の製造方法について説明する。図３～図６は、摺動部材１０の製造方法の一例を示す工程図である。なお、図３～図６は、図２に示す摺動部材１０の断面図に関連させて、摺動部材１０の製造過程における各工程の状態を示したものである。
　最初に、図３に示すように、金型１７を準備し、この金型１７内に基材１１を配置し、基材１１の主面１１Ａ上に図示しないろう材を塗布する。次いで、基材１１の主面１１Ａ上に、複数の球状部材１２１を所定のピッチで配置するとともに、基材１１及び球状部材１２１、並びにろう材を減圧雰囲気下、加熱してろう材を溶融させる。その後、冷却することによって、複数の球状部材１２１を基材１１の主面１１Ａ上にろう材を介して結合する（ろう付け接合法）。このようにして、多孔質構造の中間層１２が形成される。
　なお、ろう材を用いる代わりに、固相拡散接合法により、複数の球状部材１２１を基材１１の主面１１Ａに対して直接結合させることによって、多孔質構造の中間層１２を形成することもできる。
　次いで、フッ素樹脂等の原料粉末をあらかじめ有機溶媒中に溶解あるいは分散させて溶液あるいは分散液を準備する。そして、この溶液あるいは分散液に、複数の球状部材１２１を結合した基材１１を含浸させることにより、溶液あるいは分散液を基材１１の主面１１Ａ及び複数の球状部材１２１の表面に塗布した後に、乾燥する。このようにして、上記の原料粉末を基材１１の主面１１Ａ及び複数の球状部材１２１上に付着させる。その後、上記原料粉末を加熱して溶融処理させることによって、腐食防止層１２２を形成する。
　なお、原料粉末の加熱溶融処理は、以下に説明する摺動層１３を形成する際の焼成の工程において同時に行うことができる。この場合、腐食防止層１２２を形成する場合の工程を別途設ける必要がないので、摺動部材１０の製造工程を簡略化することができる。
　次いで、図４に示すように、摺動層１３の原料粉末である四フッ化エチレン樹脂等の原料粉末１３Ｘを、複数の球状部材１２１を内包した腐食防止層１２２上に分散配置させる。そして、その分散配置した原料粉末１３Ｘ上に不織布１６及び圧力伝達媒体１８を配置する。なお、不織布１６及び圧力伝達媒体１８は、後に上パンチを用いて圧縮成型した際に、当該上パンチの離型性を向上させるためのものである。このため、圧力伝達媒体１８としては、摩擦係数の低いフッ素系樹脂、特には四フッ化エチレン樹脂の粉末から構成することが好ましい。
　なお、この工程において、原料粉末１３Ｘの一部は、腐食防止層１２２で被覆された後に形成された第２の空孔１２２Ａに充填される。
　次いで、図５に示すように、不織布１６及び圧力伝達媒体１８を介して、上パンチ１９を用いて原料粉末１３Ｘを圧縮成型するとともに、所定の温度で加熱して原料粉末１３Ｘを焼成させ、摺動層１３を形成する。なお、上述したように、図５に示す工程において、原料粉末Ｘを焼成する際に併せて腐食防止層１２２の原料粉末を加熱溶融処理させ、当該腐食防止層１２２を形成することもできる。
　上記加熱温度は、原料粉末１３Ｘを四フッ化エチレン樹脂等のように低融点のフッ素系樹脂から構成する場合は、４００℃以下の温度に設定する。また、図５に示す工程において、腐食防止層１２２の原料粉末を上述のようにパーフルオロエチレン樹脂等とし、上記同様に４００℃以下の温度で加熱してもよい。このようにすることにより、原料粉末１３Ｘの焼成と同時に加熱溶融処理することができ、目的とする腐食防止層１２２を形成することができる。
　なお、この工程において、原料粉末１３Ｘは、中間層１２の多孔質構造の第２の空孔１２２Ａ内に十分に充填される。この際、第２の空孔１２２Ａ内に、すき間が生じたとしても、上述のように、腐食防止層１２２によって、第１の空孔１２１Ａのすき間が生じるような箇所には予め腐食防止層１２２が形成されて、当該すき間を埋設している。このため、すき間腐食の原因となる、すき間の生成を抑制することができる。
　次いで、図６に示すように、上パンチ１９を開放した後、不織布１６及び圧力伝達媒体１８を除去することによって、図１及び図２に示すような目的とする摺動部材１０を得ることができる。
　上記例では、金型１７内で基材１１上に中間層１２を形成したが、これに限らない。金型１７外で、基材１１上に中間層１２を予め形成した後に、図４で説明する、摺動層１３を形成する段階で、基材１１及び中間層１２を含むアセンブリを金型１７内に配置することもできる。
　なお、本実施形態の摺動部材１０（軸受部材）は、例えば、水車、水車発電機、ポンプなどの水力機械における摺動部材（軸受部材）として好適に用いることができる。
（第２の実施形態）
　図７は、本実施形態における水中摺動部材の概略構成を示す断面図である。なお、本実施形態の水中摺動部材の外観図は、第１の実施形態における図１に示す形態と同様である。
　図７に示すように、本実施形態の水中摺動部材（以下、「摺動部材」と略す場合がある）２０は、中間層２２の構成が、図２に示す第１の実施形態における中間層１２の構成と異なり、その他の構成については同様である。このため、中間層２２の構造を中心に説明する。なお、図１及び図２に示す構成要素と同一あるいは類似の構成要素については、同一の参照符号を用いている。
　図７に示すように、本実施形態の摺動部材２０は、第１の金属材料からなる基材１１と、この基材１１に接合され、第２の金属材料からなる多孔質構造の中間層２２と、少なくとも中間層２２上に形成され、電気絶縁性を持つ腐食防止層１２２と、少なくとも腐食防止層１２２上に形成され、導電性のある充填材を含む樹脂材料からなり、中間層２２の多孔質構造の空孔内に樹脂材料の一部が充填された摺動層１３とを有している。この樹脂材料は、機械特性向上の観点からカーボン繊維等の導電性のある充填材を含有している。なお、本実施形態における摺動部材２０も、第１の実施形態における摺動部材１０と同様に、軸受として機能させることができる。
　中間層２２は、第２の金属材料からなり、多孔質構造を構成している。本実施形態では、中間層２２は、厚さ方向に沿った断面が、例えばＴ字型である楔型部材２２１が、基材１１の主面１１Ａ上に複数形成されており、その複数の楔型部材２２１が主面１１Ａと結合して多孔質構造を構成している。中間層２２は、例えば、パンチングプレートのパンチ穴の少なくとも一部が連通するように積層させることによって形成される。腐食防止層１２２は、基材１１の主面１１Ａ及び複数の楔型部材１２１の表面を覆うように形成されている。
　本実施形態の水中摺動部材は、基材１１の主面１１Ａ及び複数の楔型部材２２１の表面を覆うように、腐食防止層１２２が形成されている。このため、摺動層１３の樹脂材料がカーボン繊維等の導電性のある充填材を含む場合であっても、水中環境において軸１５から摺動部材１０を通して軸受基材に流れる腐食電流を遮断することができ、軸の腐食を防止することができる。
　また、多孔質構造である中間層２２が備える第１の空孔２２１Ａ内に樹脂材料が充填されない部分（すき間）があると、水中環境では、すき間に水が入り込む。このため、すき間を起点として腐食が生じるようになる（すき間腐食）。
　しかしながら、本実施形態においては、基材１１の主面１１Ａ及び複数の楔型部材２２１の表面を覆うように、腐食防止層２２２が形成されている。このため、上述のような第１のすき間を抑制することができ、これによってすき間腐食を抑制し、摺動部材２０（軸受部材）を水中で長時間使用した場合においても、機械特性が経時的に劣化するのを抑制することができる。
　このように本実施形態によれば、摺動部材２０を水中で長時間使用した場合においても、軸１５から摺動部材２０を通して軸受基材に流れる腐食電流を遮断することで軸の腐食を防止することができるとともに、長期に亘って高い機械特性を呈することができる。
　なお、その他の特徴、例えば、中間層２２の楔型部材２２１の構成材料等は、第１の実施形態における摺動部材１０の球状部材１２１と同一であるので、説明を省略する。
　本実施形態の摺動部材２０の製造方法は、中間層２２の多孔質構造が複数の球状部材１２１で構成される代わりに、複数の楔型部材２２１で構成される点以外は、基本的には、図３～図６に示すような場合と同様である。
　なお、複数の楔型部材２２１の形成は、予め断面形状がＴ字型の複数の楔型部材２２１を準備し、これらを複数の球状部材１２１の代わりに用いて行うこともできる。その他に、例えば大きさの異なる複数のパンチ穴が形成された２枚の板状部材を、当該パンチ穴が重複するようにして積層することによって、複数の楔型部材２２１を形成できる。
　図８及び図９は、パンチ穴が形成された２枚の板状部材を用いて複数の楔型部材２２１を形成する場合の一例を示す工程図である。
　図８に示すように、基板１１の主面１１Ａ上に、パンチ穴２２１－２Ａが形成された下板状部材２２１－２Ｘをろう付け等によって結合配置する。次いで、図９に示すように、パンチ穴２２１－１Ａが形成された上板状部材２２１－２Ｘを、パンチ穴２２１－１Ａとパンチ穴２２１－２Ａとが一致するようにして、ろう付け等によって下板状部材２２１－１Ｘに対して結合配置する。この結果、図７に示すような楔型部材２２１を形成することができる。
　なお、その他の腐食防止層１２２や摺動層１３等を形成する工程は、図３～図６に示す工程と同じであるので、説明を省略する。
　本実施形態の摺動部材２０（軸受部材）は、例えば、水車、水車発電機、ポンプなどの水力機械における摺動部材（軸受部材）として好適に用いることができる。
　上記第１の実施形態及び第２の実施形態においては、中間層１２及び２２の多孔質構造を構成する部材を球状及び楔型としたが、中間層１２及び２２の多孔質構造が摺動層１３に対するアンカー効果を奏するという要件を満足すれば、上記部材の形状は特に限定されるものではない。例えば、中間層１２及び２２の多孔質構造の空孔は貫通していなくてもよい。
（実施例１）
　まず、円筒形状を持つＳＵＳ３１６ステンレスからなる基材１１の主面１１ＡにＡｇ－５６質量％Ｃｕろう材を塗布した。そして、直径３ｍｍのＳＵＳ３１６ステンレスからなる複数の鋼球１２１をその上に散布した。その後、１０５０℃、１０－３Ｔｏｒｒの真空中で加熱処理を行い、複数の鋼球１２１を基材１１の主面１１Ａに結合させた。このようにして、多孔質構造の中間層１２を形成した。
　次いで、基材１１の主面１１Ａ及び複数の鋼球１２１の表面に、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体の樹脂粉末（腐食防止層１２２の原材料）を溶媒に分散してなる分散液を塗布し、乾燥させる工程を、最終的な厚さが０．５ｍｍとなるまで繰り返した。このように、基材１１の主面１１Ａ及び複数の鋼球１２１の表面に上記樹脂粉末を付着させた。
　次いで、基材１１及び複数の鋼球１２１を内包し、腐食防止層１２２を含む中間層１２からなるアセンブリを、金型１７内に配置した。そして、このアセンブリ上に３０質量％炭素繊維を含有した四フッ化エチレン樹脂の原料粉末を充填した。炭素繊維は、直径７～１０μｍ、長さ３ｍｍの短繊維を用いた。
　次いで、原料粉末上に厚さ０．３ｍｍの不織布１６及びＰＴＦＥからなる圧力伝達媒体（粉末）１８を配置し、平面形状を有する成形パンチ１９により、圧力５０ＭＰａで一方向に圧縮成形した。
　次いで、不織布１６及び圧力伝達媒体１８を除去した後、上記原料粉末の成型体を３７０℃、２時間加熱した。これにより、成型体を加熱溶融して摺動層１３を形成するとともに、基材１１の主面１１Ａ及び複数の鋼球１２１の表面に付着した樹脂粉末を加熱溶融して、当該表面に腐食防止層１２２を形成した。
　このようにして得た摺動部材の腐食電流の流れ具合を調べたところ、腐食電流は遮断され、すき間腐食が生じないことを確認した。
　以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、水中環境において長時間使用した場合においても、機械特性が経時的に劣化するのを抑制することができる。
　以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　１０　水中摺動部材（軸受部材）
　１１　基材
　１１Ａ　基材の主面
　１２、２２　中間層
　１２１　球状部材
　１２１Ａ、２２１Ａ　第１の空孔
　１２２　腐食防止層
　１２２Ａ、２２２Ａ　第２の空孔
　１３　摺動層
　１５　軸
　２０　水中摺動部材（軸受部材）
　２２１　楔型部材

Claims (12)

  1. 　水中で使用される水中摺動部材であって、
    　第１の金属材料からなる基材と、
    　前記基材に接合され、第２の金属材料からなる多孔質構造の中間層と、
    　前記中間層の多孔質構造の空孔内に一部が溶融して充填された腐食防止層と、
    　前記腐食防止層上に形成され、樹脂材料からなる摺動層と、
    を備えることを特徴とする水中摺動部材。
  2. 　前記基材の前記第１の金属材料は、鉄及びクロムからなるステンレス鋼、鉄、クロム、及びニッケルからなるステンレス鋼、並びに鉄、クロム、ニッケル、モリブデン、マンガン、シリコン、ニオブ及びチタンからなるステンレス鋼の少なくとも一つであることを特徴とする、請求項１に記載の水中摺動部材。
  3. 　前記中間層の前記第２の金属材料は、鉄及びクロムからなるステンレス鋼、鉄、クロム、及びニッケルからなるステンレス鋼、並びに鉄、クロム、ニッケル、モリブデン、マンガン、シリコン、ニオブ及びチタンからなるステンレス鋼の少なくとも一つであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の水中摺動部材。
  4. 　前記腐食防止層は、フッ素樹脂からなることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一に記載の水中摺動部材。
  5. 　前記摺動層を構成する前記樹脂材料は、四フッ化エチレン樹脂を含むことを特徴とする、請求項１～４のいずれか一に記載の水中摺動部材。
  6. 　前記摺動層は、炭素及びグラファイトの少なくとも一方を含む繊維及び粒子からなる充填材を含むことを特徴とする、請求項５に記載の水中摺動部材。
  7. 　前記摺動層は、チタン酸カリウム、ホウ酸アルミニウム及び酸化亜鉛の少なくとも一種のウィスカー、繊維及び粒子からなる追加の充填材を含むことを特徴とする、請求項５又は６に記載の水中摺動部材。
  8. 　水中で使用される水中摺動部材の製造方法であって、
    　第１の金属材料からなる基材に第２の金属材料からなる多孔質構造の中間層を結合させる工程と、
    　前記中間層の多孔質構造の空孔内に一部が溶融して充填された腐食防止層を形成する工程と、
    　前記腐食防止層上に樹脂材料からなる摺動層を形成する工程と、
    を備えることを特徴とする水中摺動部材の製造方法。
  9. 　前記腐食防止層は、原料粉末を少なくとも前記中間層上にあらかじめ分散させた混合粉末を含浸させながら成形した後、加熱して溶融処理することを特徴とする、請求項８記載の水中摺動部材の製造方法。
  10. 　前記摺動層は、前記樹脂材料の粉末を前記腐食防止層上に分散配置させた後、圧縮成型及び焼成させることによって形成することを特徴とする、請求項８又は９に記載の水中摺動部材の製造方法。
  11. 　請求項１～７のいずれか一に記載の水中摺動部材を含むことを特徴とする、水中軸受部材。
  12. 　請求項１１に記載の水中摺動部材を含むことを特徴とする、水力機械。
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